原油污染土壤生物修復研究進展

王春，姜巖，岳希權

(1.重慶工商大學 廢油資源化技術與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067;2.哈爾濱順悅時興科技開發有限公司 科技發展部，黑龍江 哈爾濱 150016)

隨著石油工業的快速發展，在勘探、開采、煉制和儲運石油過程中，由于操作或維修不當或事故泄漏等原因，會導致一些石油泄漏在地面上，污染了周邊土壤。油田生產過程中產生的石油類溢出，這些泄露的石油對環境(土壤、地表水等)造成污染［1］。

含油土壤的生物修復是指利用土著微生物或外源微生物的代謝活動，然后優化土壤環境的條件，使這些微生物加速分解石油烴等污染物，從而達到修復被石油污染的土壤的效果［2-5］。本文論述了利用原位生物修復和異位生物修復處理原油污染土壤的最新進展。

1 原位生物修復

原位生物修復是指不需將污染土壤搬離現場，直接向污染土壤投放N、P 等營養物質和O2，促進土壤中土著微生物或外源微生物的代謝活性，降解石油烴等污染物。原位修復過程主要依賴污染地自身污染物的降解能力、投加的外源微生物和人為創造適合微生物本身的降解條件。原位生物修復主要包含以下幾種方法。

1.1 原位地耕法

地耕法是指利用土壤中自然存在的微生物，一般都要投加有機肥，來平衡土壤中的C、N、P 比，并調節土壤的酸堿度及水分，優化生物降解烴類的條件，進行機械翻耕以改善土壤的充氧程度，同時要使有機污染物在土壤中混合均勻，最終將污染物轉化為CO2、水等無害物質［6］。Hansen 等［7］在一個木材處理廠做了污染土壤的生物修復方法研究，來評價不同耕作方式對生物修復效果的影響。兩個試點的不同微生物群落因供養等多個因素的差異快速繁殖，但是最終污染物的降解結果是相同的。勝利油田用土著生物對含油污泥污染的土壤進行修復，在這期間添加有機肥并且進行機械翻耕。經過8 個月的處理后，污泥含油量從126 g/kg 降至110.2 g/kg，而且污泥的毒性顯著降低。另外還表明，添加有機肥調理劑和外源降解菌，能夠加快微生物對含油污泥的降解速率［8］。地耕法處理含油土壤的最大優點在于在土壤中加入肥料，利用土壤中的微生物把油分解成無害產物(水和二氧化碳)，這是自然過程，因此該方法節約成本，適用于淺層土壤、污染物較易降解和滲透性較差的土壤［9］。該法存在很大的缺點，對于微生物難以降解的瀝青質和高分子蠟殘留在農田中，這些污染物可能從土壤遷移到空氣和地下水中造成污染，并且在冬季較長的地區，土壤中的自然微生物活性降低導致降解過程較慢，而且該法占用的面積比較大［10］。

1.2 生物通氣法

生物通氣法是指在土壤表層打幾口井，利用鼓風機將空氣加入土壤，然后利用抽真空機將空氣抽出，這樣不僅可以去除土壤中易揮發的氣體，而且可以加快微生物的代謝作用。這是一個加壓氧化降解過程，用于修復淺層地下水上方通氣層的土壤。楊福俊［11］認為在通空氣過程中，混合一部分氨氣作為氮源，有效促進了微生物生長，提高微生物代謝活性，使石油污染物的去除效率大大提高。何煒等［12］采用真空抽提對受污染土壤進行處理，264 h 后，測得土壤中石油烴平均去除率高達89.29%。這說明真空抽提對石油污染土壤的生物修復效果影響很大。制約生物通氣法的主要因素是當地的土壤結構，因為如果土壤結構不適宜，就會導致一些營養物質和空氣在到達污染區域前已經被消耗。

1.3 投菌法

投菌法是指通過人為向受污染的土壤接入外源微生物，需定期把H2O2和營養物質投加到土壤中，把石油烴等污染物現場徹底降解為CO2和水等無害物質。Sanjeet 等［13］用投菌法對4 000 m2受石油烴(TPH)污染土壤進行處理，投加外源菌和N、P 等營養物質的土壤中TPH 降解率高達92%，而未添加外源菌和營養物質的土壤中TPH 降解率僅為14%，這說明投菌法修復含油土壤的可行性。楊茜［14］向油污土壤中投加SZ-1 降解菌可以顯著提高土壤細菌群落的多樣性，該外加菌與土壤中的土著菌存在著協同修復作用。越復雜多樣性的細菌群落結構，對石油烴的降解效果相對越好。課題組［15-16］也先后從油田污油、廢潤滑油，以及油污染土壤中分離出多株野生型具有不同石油烴降解能力的菌種。該方法優點是可以在治理石油污染的同時，將治理對生態系統的影響降低到最小，很有發展前景［17］。但是，由于自然環境中降解油田的土著微生物菌落一般濃度較低，導致微生物降解石油烴的效率低下，降解周期變長。因而，通常先從自然環境中篩選降解菌種，加以改良變成高效菌種群，從而培育適應性強的、高效污染物降解菌種群，再將其投入污染環境中，有針對性地提高去除PAHs(多環芳烴)等難降解成分的降解效率。

1.4 生物培養法

生物培養法是通過人為定期的把營養物質和H2O2投加到土壤里，來滿足土著降解菌的需要，通過增強他們的代謝活性，將石油烴等污染物轉化為CO2和H2O 等無害物質。

生物降解酶可促進土壤中難降解石油烴的生物降解，氮、磷化合物可以誘導生物降解酶組分，這樣就促進微生物生長，增強微生物活性，從而使污染物轉化為無害物質［18］。孫萬虹［19］對氮、磷含量很低的西峰長慶油田區油污土壤進行微生物修復，人為將氮、磷物質按C∶N∶P=100∶10∶1 比例添加進入土壤，對混合微生物菌劑修復石油污染土壤具有顯著促進效果，高濃度區和低濃度區最大降油率平均分別達到52.5%和33.44%。Lee 等［20］將原C、N、P比例1 160∶4∶1 土壤里添加營養元素，分別調節為500∶10∶1 和100∶10∶1，經過105 d 后，分別測定兩種含油土壤里潤滑油的降解率，結果顯示前者降解率高達42% ～51%，而在相同條件下，后者降解率僅為18%。上述表明在含油土壤中添加營養物質，提高了石油烴的生物去除率。因此，應按合適的比例適時適量的向土壤中添加營養物質，這樣有利于含油土壤的微生物修復。

2 異位生物修復

異位生物修復是采用挖掘土壤或抽取地下水等措施移動受污染的土壤、沉積物到鄰近地點或反應器內，采用生物法進行處理，使污染物降解為無害的物質［21］。異位生物修復主要包含以下幾種方法。

2.1 生物堆肥法

生物堆肥法是指將受污染的土壤挖掘出來，運送到一個合適的地點進行生物處理，處理后的土壤運回原地。該過程需要向污染土壤中加入土壤調理劑，來提供微生物生長所需的營養物質，該過程還需要控制好pH 和溫度，來增強微生物的活性，從而達到修復土壤的目的［22］。此法對去除高濃度的固體有機復合物是非常有效的，因為它利用生物降解石油烴的特性，樹葉、割草、麥桿、干草或有機肥可以作為調理劑或物質來滿足微生物生長過程需要的熱量［23］。上述這些物質價格低廉，有些甚至是廢棄物。將這些物質用于土壤修復，既可修復土壤，還降低了運行成本。Sarkar 等［24］向被柴油污染土壤中添加果蔬和腳料，經過3 個月的處理，測得土壤含油量降低了85%。Wan 等［25］在柴油污染土壤上進行試驗，分別向土壤中添加有機肥料和進行堆肥后，修復效果得到很大的提高，其中土壤中石油烴的降解率超過90%。與地耕法相比，堆肥法的優點是處理時間短、處理費用低、處理后的廢棄物可以直接施于農田，適用于高石油烴含量和冬季較長的地區。

2.2 生物反應器法

生物反應器法也稱生物泥漿法，將石油污染土壤挖出來，運送到準備好的生物反應器內，進行生物處理，處理后的土壤運回原地。該過程需要以水為介質，同時加入表面活性劑、營養鹽，同時鼓入空氣，攪拌使微生物與污染物充分接觸來降解石油烴類物質。生物反應器的方法適用于含油污泥和油污染土壤的修復，也可以用于含油廢棄物的預處理，對高濃度的重油污染土壤處理效果較好［26］。Ellis 等［27］用生物反應器法對斯德哥爾摩中部石油污染土壤進行治理，與治理前相比，土壤中PAHs 的濃度降低了70%。此法容易人為控制各種工藝條件，因此該方法處理效果好、處理時間短。反應器修復實際是堆肥法的重新構造，他們具有相同的污染物降解途徑和微生物之間的作用，只是在過程中增強了電子受體、營養物及其他添加物的效力，因而降解率和降解速率最高。反應器修復可以提供最大程度的控制，是條件最理想、靈活的修復方法。

2.3 預制床法

預制床法是將受污染土壤置于一個不泄露平臺上，通過人工向土壤中補充營養、空氣，并加以適度翻耕，保證微生物和土壤充分接觸達到修復土壤的效果。預制床法可以使污染物的遷移量降到最低，因為其具有控制、排放和收集濾液系統。Liu 等［28］采用該方法對油田含油污泥經行處理，在搭建的溫室中放置了預制床，在處理過程中，根據需要將有機肥料、調理劑添加到含油污泥中，向污泥中接種石油烴降解菌。結果表明，經過半年的處理，不同修復條件下油脂含量降低率達到28.5% ～46.3%，而在對照處理中僅為16.3%。李培軍等［29］在實用規模的預制床上處理多種原油污染土壤，通過投加菌劑、肥料、控制pH 值和水分，經過60 d 的運行，石油總量的去除率達到38.36% ～57.74%。該方法工藝條件易控制、修復效果較好，同時可以有效防止污染物遷移到環境中，但該方法具有成本高、操作較復雜以及油污土壤運輸困難等缺點，且不適用于大面積土壤污染的修復。

3 結束語

原位生物修復優點是污染物不需要轉移，成本低、簡單。缺點是過程難以控制。異位生物修復優點可以在土壤受污染之初限制污染物的遷移和擴散，也可以通過安裝生物反應器，促進生物降解速率。缺點是修復費用高，在運輸過程中會破壞原地點的土壤生態結構。今后，還有以下工作值得進一步深入研究:①原位生物修復中，由于氧的傳輸過程是關鍵，因此土壤的滲透性是此法能否成功的關鍵;②異位生物修復中對于被挖地點的土壤生態的善后處理，由于污染土壤的挖掘，使原有生態結構遭到破壞，所以對挖掘土壤的善后處理技術的研究應該重視;③生物修復和其他修復技術的結合利用。根據污染土壤的具體狀況制定針對性的治理方案，將物理、化學、生物3 種修復方法相結合，構建高效的修復體系。

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